房間空調器
摘要：本文采用可變容差優(yōu)化方法，將制冷系統(tǒng)性能系數(shù)COP值作為目標函數(shù)，以蒸發(fā)器、冷凝器、毛細管的主要結構參數(shù)及制冷劑充港灌量為優(yōu)化變量，對房間空調器系統(tǒng)的幾大部件進行了最佳匹配計算，使之能效比顯著提高，達到了節(jié)能目的。
1.近年來，盡管對制冷設備中的基本現(xiàn)象的認識已比較清楚，但目前空調器生產廠家基本上還是采用傳統(tǒng)的類比設計方法，著重強調與企業(yè)的設備條件和設計經驗的一致，達到在一定程度上的系統(tǒng)匹配。
本文的目的是對一個分體壁掛式空調器制冷系統(tǒng)進行最優(yōu)匹配。將制冷系統(tǒng)性能系數(shù)COP值作為目標函數(shù)，以蒸發(fā)器、冷凝器、毛細管的主要結構參數(shù)及制冷劑充灌量為優(yōu)化變量，對空調器系統(tǒng)的幾大部件進行了最佳匹配計算，計算結果表明優(yōu)化后的COP值較原始值提高8.07%，制冷量提高了3.77%，功率消耗降低了3.79%，實現(xiàn)了節(jié)能目標。
2.制冷系統(tǒng)工作過程模擬
冷系統(tǒng)工作過程模擬的目的是為實現(xiàn)系統(tǒng)的最佳匹配和工作過程控制自動化，故模擬模型應準確、可靠。通常用用穩(wěn)態(tài)集中參數(shù)法比較粗糙，且不抻于了解系統(tǒng)各部特征。本文則采用穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)法。
2.1蒸發(fā)器和冷凝器的模擬
制冷劑在蒸發(fā)器和冷凝器中的流動分別是飽和態(tài)及過熱態(tài)、飽和態(tài)及過冷態(tài)，通常在兩器的換熱計算在均將每一狀態(tài)作為整體采用平均換熱公式，雖然考慮了單相和兩相流體在傳熱上的差異，但實際上在所劃分的每一區(qū)域內傳熱系數(shù)和制冷劑溫度是不相同的。本文則采用分步計算法，在假設出口參數(shù)的條件下，應用質量守恒、動量守恒和能量守恒方程進迭代計算，得出制冷劑的溫度、壓力和干度的變化情。
2.2毛細管的模擬
毛細管的結構雖然簡單，但管中制冷劑的流動比較復雜，是一個從液體單相流的“閃蒸”過程，且存在汽化滯后的非熱力學平衡現(xiàn)象，該現(xiàn)象對毛細管內制冷劑流量和出口參數(shù)等都有較大影響。本文根據(jù)諸多文獻中R22的實驗數(shù)據(jù)對文南非的模型作了修正，比較滿意地反映出R22閃點延遲與毛細管內徑、入口過冷度等的關系。毛細管進出口參數(shù)仍采用分步參數(shù)法，借助三大守恒方程聯(lián)立迭代求解。
2.3壓縮機的模擬
本文的空調器制冷系統(tǒng)中采用滾動轉子壓縮機，對其工作過程的瞬態(tài)模擬仍借助三大守恒方程，綜合考慮了氣缸與外界的熱交換、氣體的泄漏、氣閥的運動規(guī)律、運動部件的摩摩等諸因素對壓縮機工作性能的影響，使其更接近壓縮機的實際工作過程。文獻[2]給予詳細的敘述。
2.4制冷系統(tǒng)的模擬
制冷系統(tǒng)模擬計算框圖，是以質量流量及系統(tǒng)充灌量作為計算收斂的判據(jù)，與文獻[3]比較，其優(yōu)點是選取的初值對收斂速度及計算精度的影響較小，并且顧及了充灌量的影響。
3.制冷系統(tǒng)最佳匹配
作者在實驗驗證了制冷系統(tǒng)模擬計算與實驗結果吻合較好的基礎上，建立了制冷系統(tǒng)幾大部件間的最佳匹配優(yōu)化模型，經過優(yōu)化后的制冷系統(tǒng)實現(xiàn)了節(jié)能目的。
3.1優(yōu)化參數(shù)
?。?）目標函數(shù)及設計變量
本文的目標函數(shù)取：
Fx=1/COP
COP值為能效比。
設計變量如下：制冷劑充灌量M
冷凝器的翅片間ec；管外徑doc；單根管長lc；迎面風速uc；
蒸發(fā)器的翅片間距ee；管外徑doe；單根管長le；迎面風速ue；
毛細管長Lcap。
這里暫且沒考慮壓縮機的優(yōu)化，并取毛細管內徑為定值。
?。?）約束條件
顯性約束如下：
1.5mm≤ec≤3.0mm,1.5mm≤ee≤3.0mm,
6.0mm≤doc≤12.0mm,6.0mm≤doe≤12.0mm,
0.5m≤lc≤1.2m,0.5≤le≤0.75m,
1.0m/s≤uc≤3.0m/s,0.5/s≤ue≤3.0m/s,
0.6m≤Lcap≤1.8m,
500g≤M≤1000g。
為了計算的方便，將上述約束作無量綱處理。
另外對材料消耗及噪聲指標提出限制，冷凝器和蒸發(fā)器優(yōu)化后的重量應不大于樣機重量，噪聲的控制是通過限制空氣流過蒸發(fā)器時流動阻力來實現(xiàn)的。
3.2優(yōu)化方法
因為空調器制冷系統(tǒng)工作過程的模擬計算量很大，目標函數(shù)、約束條件和設計變量間存在著復雜的線性或非線性或非線性關系，故本文采用可變容差優(yōu)化方法。該方法的特占領是初始多面體的頂點不要求為可行點，無需計算梯度，因而運行簡便。同那些要求嚴格滿足可行性的優(yōu)化方法比較，大大節(jié)省計算時間，另外，還可以利用公差準則數(shù)作為搜索結束的準則。
需要指出的是，在房間空調器制冷系統(tǒng)的優(yōu)化計算中，由于目標函數(shù)、約束條件和設計變量之間是較為復雜的隱含非線性關系，故所行優(yōu)化結果是局部最優(yōu)解，是與初始點位置有關的。另外，設計變量的最優(yōu)值與國家規(guī)定的系列標準值并有相符，需對優(yōu)化值進行圓整或標準化。為此，需要利用“子空間優(yōu)化”方法，對某些設計孌量圓整或標準化。然后再通過比較多個局部最優(yōu)解，得出最終的優(yōu)化設計。
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